Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska.

Prezentacja na temat: "  Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska."— Zapis prezentacji:

1 Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

2 Szumy w układach i systemach w.cz. prof. dr hab. Janusz A. Dobrowolski
Politechnika Warszawska Instytut Systemów Elektronicznych ul. Nowowiejska 15/19, Warszawa tel: (48-22) fax: (48-22) Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

3 Gęstość widmowa napięcia szumów:
Szumy cieplne: Gęstość widmowa napięcia szumów: Gęstość widmowa prądu szumów: Zależności słuszne do częstotliwości granicznej: h = 6,624•10-34 J•s - stała Plancka Dla T = 290 K - fg = GHz Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

4 Zastępcze źródła szumów dla szumów cieplnych rezystancji R
Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

5 Dysponowana moc źródeł szumów cieplnych:
Gęstość widmowa mocy szumów cieplnych: Temperatura szumów jednowrotnika (dwójnika): Chłodzenie układu zmniejsza szumy cieplne ! Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

6 Przepływ nośników ładunków przez powierzchnię
Szumy śrutowe: Przepływ nośników ładunków przez powierzchnię rozdzielającą dwa ośrodki. (lampy elektronowe, diody, tranzystory) Prądowa gęstość widmowa szumów śrutowych: e – ładunek elektronu = 1,6 x As Gdy f → ∞, Si → 0 Chłodzenie nie wpływa na wielkość szumów śrutowych! Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

7 Szumy migotania (strukturalne, szumy 1/f):
Przypadkowa generacja i rekombinacja nośników ładunku. Wartość średniokwadratowa prądu szumów migotania K – stała zależna od materiału i właściwości powierzchni Szumy plazmowe Szumy kwantowe Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

8 Szumy układu odbiorczego
1) Szumy własne układu 2) Szumy anteny: Dla anten o dużym wzmocnieniu i małym kącie apertury : Tb - temperatura obiektu na który „patrzy” antena Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

9 ZASTĘPCZA TEMPERATURA SZUMÓW JEDNOWROTNIKA:
Pn - moc szumów na zaciskach jednowrotnika Generatory szumów: ENR (Excess Noise Ratio): Pn – moc szumów na wyjściu generatora, Pn0 = kT0B ENR półprzewodnikowych źródeł szumowych – od ok. 5-6 dB do ok. 24 dB. Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

10 Dwuwrotnik szumiący f1 = f2 – wzmacniacz f1 ≠ f2 - mieszacz, konwerter
Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

11 Wąskopasmowy współczynnik szumów: Definicja 1
T0 = 290 K - standardowa temperatura odniesienia Ponieważ: i lub więc: Indeks „a” oznacza moc dysponowana Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

12 Obie definicje są sobie równoważne !
Definicja 2: Obie definicje są sobie równoważne ! G – wzmocnienie mocy GT –skuteczne wzmocnienie mocy GA – dysponowane wzmocnienie mocy Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

13 Współczynnik szumów w dB: F [dB] = 10 log F.
Nadmiarowy współczynnik szumów: Zastępcza temperatura szumów dwuwrotnika: Te jest równa temperaturze generatora sygnału, przy której szumy cieplne kTedf impedancji wewnętrznej generatora sygnału, wzmocnione przez idealny bezszumny dwuwrotnik, są równe szumom własnym Pni na wyjściu dwuwrotnika rzeczywistego: czyli gdy Pni = kTe df GT Czyli: Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

14 Ponieważ Więc: Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

15 Model układu wielokanałowego
Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

16 Współczynnik szumów układu wielokanałowego – definicja:
(m) – m-ty kanał sygnału K – liczba kanałów Pn1(m) = k T0 df, T0 = 290 K (z definicji). Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

17 Odbiornik superheterodynowy
Jest to układ dwukanałowy ! Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

18 Kanał sygnału wejściowego, kanał sygnału lustrzanego i kanał wyjściowy
Sygnał heterodyny - fp Kanał lustrzany Kanał sygnału właściwego Kanał wyjściowy f fL fP fS f Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

19 Odbiornik dwukanałowy (radiometr) – sygnał i szum
dostarczane dwoma kanałami: 2. Odbiornik jednowstęgowy (odbiornik radiokomunikacyjny) - sygnał dostarczany jednym kanałem, a szumy dwoma kanałami 3. Odbiornik jednowstęgowy – sygnał i szum dostarczane jednym kanałem Przy warunku, gdy G(1) = G(2) Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

20 Decybele - dB Decybel to jednostka logarytmiczna stosowana początkowo
dla określenia ilorazu (stosunku mocy), tzn.: Iloraz mocy w dB = 10 log10 P2 P1 Zalety: 1. Znaczne zmnieszenie wielkości liczb wyrażających duże Ilorazy mocy, np.: iloraz mocy = 1 = 70 dB 2 Iloraz mocy = = 3 dB 1 Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

21 Decybele 2. Iloczyny ilorazów mocy wygodnie jest zamienic na dB
i zamiast mnożyc ilorazy przez siebie, dodawac decybelowe równoważniki ilorazów mocy, np.: 2500 63 x = 1 1 34 dB dB = 52 dB to samo w dB 3. Odwrotnośc ilorazu można wyznaczyc dodajac tylko znak minus przed jego logarytmem, tzn.: 52 dB = = 1 1 -52 dB = = 0, Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

22 Decybele - dB Konwersja ilorazu na dB:
przestawienie ilorazu w postaci liczby dziesiętnej zamiana zapisu dziesiętnego na postac wykładniczą (postac naukowa), który skłąda się z dwóch części: 10 000 Np. = 2500 = 2,5 x 103 Wykładnik 4 Częśc podstawowa ilorazu Iloraz wyrazony w dB składa się też z dwóch części: Pierwsza częśc to 10 log10 z części podstawowej ilorazu, a druga częśc, umieszczona przed pierwszą, to wykładnik potęgowy pomożony przez 10: Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

23 Decybele - dB Konwersja ilorazu mocy na dB: Częśc podstawowa Wykładnik
2500 = 2,5 x = dB Iloraz mocy wyrażony w dB składa się też z dwóch części: Pierwsza częśc to 10 log10 z części podstawowej ilorazu, zapisana w miejscu jednostek (plus częśc dziesiętna) a druga częśc, umieszczona przed pierwszą to wykładnik potęgowy. Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

24 Iloraz mocy podstawowy
Decybele Zamiana ilorazu mocy na decybele wymaga jedyni znajomości wartości logarytmów dziesiętnych liczb od 1 do 10. Iloraz mocy podstawowy dB 1 1,26 1,6 2 3 2,5 4 3,2 5 6 7 6,3 8 9 Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

25 Decybele IIoraz mocy Wykładnik potęgowy 10 dB Nie istnieje - 1 10 100 2 20 1000 3 30 1.0 = 1.0 x 100 = 0.0 dB 10.0 = 1.0 x 101 = 10 dB 100.0 = 1.0 x 102 = 20 dB = 1.0 x 103 =30 dB =1.0 x 107 = 70 dB Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

26 Decybele Iloraz mocy = 10dB/10 Konwersja z decybeli na iloraz mocy:
Iloraz składa się z dwóch części: z podstawowego ilorazu mocy podstawowego z 10 do potęgi równej liczbie przed liczbie jednostek decybeli Iloraz mocy podstawowy = 100,4 36 dB = x = Potęga 10 Trzeba pamiętac ilorazy mocy odpowiadające dB od 1 do 10. Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

27 Decybele Do reprezentowanie ilorazów mocy mniejszych od 1 używa się
decybeli ujemnych. 3 dB = 2 - 3 dB = ½ = 0.5 Gdy iloraz mocy dąży do zera liczba ujemnych decybeli dąży do bardzo dużej liczby. Np. = dB Nie ma decybelowego równoważnika ilorazu mocy równego zeru!!! Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

28 Decybele Decybele ujemne reprezentują ilorazy mocy mniejsze od 1,
Decybele dodatnie reprezentują ilorazy mocy większe od 1, 0 dB reprezentuje iloraz mocy równy 1. Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

29 Decybele Używanie decybeli: Moc wyjściowa Wzmocnienie mocy (gain) G =
Moc wejściowa G = 500/2 = 250 = 24 dB Pwe = 1 mW Pwy = 250 mW Wzmacniacz G = 250/1 = 250 = 24 dB Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

30 Decybele Straty mocy (loss) L = Moc wejściowa Moc wyjściowa Falowód
Pwe = 10 mW Pwy = 8 mW Straty L = 10/8 = = 1 dB Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

31 Decybele Falowód Wzmacniacz L = 1 dB G = 24 dB Wzmocnienie całkowite:
Gc = 24 dB – 1 db = 23 dB Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

32 Decybele Wzmocnienie mocy w zależności od napięc: (U2)2
Moc wyjściowa Pwy = RL (U1)2 Moc wejściowa Pwe = Rwe Gdy RL = Rwe 2 U2 U2 G = 10 log10 = 20 log10 U1 U1 Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

33 Decybele absolutne Decybele względem 1 W są oznaczane dBW:
1 Watt = 0 dBW 2 Watty = 3 dBW 1 kW = 30 dBW Decybele względem 1 mW są oznaczane dBm Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

34 Decybele Pamiętajmy, że 3 dB odpowiada prawie dokładnie ilorazowi 2.
Ponieważ dodawanie dB ma taki sam efekt jak mnożenie ilorazów, więc 3 dB = 2 6 dB = 3 dB + 3 dB = 2 x 2 = 4 9 dB = 6 dB + 3 dB = 4 x 2 = 8 2. 1 dB odpowiada prawie dokładnie ilorazowi 1¼ (5/4). Ponieważ znak minus przed dB odwraca iloraz, tzn. -1 dB odpowiada ilorazowi 4/5 = 0.8. Opierając się na dwóch ilorazach 11/4 można obliczac pozostałe relacje między dB i ilorazami. Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

35 Decybele 1 dB = 11/4 3 dB = 2 2 dB = 3 dB – 1 dB = 2 x 0.8 = 1.6
Należy pamiętac: 1 dB = 11/4 3 dB = 2 Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

36 Zastępcza szumowa szerokość pasma
Jednakowe pola Definicja Bn W przypadku szumu białego na wejściu: Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

37 Układ kaskady dwóch dwuwrotników
Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

38 Temperatura szumów dwóch stopni w kaskadzie:
Współczynnik szumów dwóch stopni w kaskadzie: Dla dowolnej liczby stopni w kaskadzie: Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

39 Miara szumów – definicja:
Współczynnik szumów kaskady 1 – Współczynnik szumów kaskady 2 - 1 Gdy M1 < M2 Łączymy stopnie w kolejności odpowiadającej rosnącej miary szumów !!! Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

40 Pomiar współczynnika szumów
Dwustanowy generator szumów Układ badany Miernik mocy Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

41 Temperatura szumów czwórnika:
Współczynnik szumów czwórnika: Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

42 Stratna linia transmisyjna
Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

43 Zależność współczynnika szumów od admitancji źródła sygnału
Fmin - minimalna wartość współczynnika szumów układu, Rn - zastępcza rezystancja szumów dwuwrotnika aktywnego określająca krzywiznę powierzchni F() w otoczeniu punktu, ΓSopt = Re(ΓSopt )+ j Im( ΓSopt) - optymalna wartość współczynnika odbicia generatora sygnału, przy której F = Fmin Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

44 Ysopt - optymalna admitancja wewnętrzna źródła sygnału przy
której F = Fmin Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

45 Zależność współczynnika szumów od admitancji źródła sygnału
Okręgi stałego współczynnika szumów Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

46 Szumy fazowe generatora wcz
Φ Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

47 Sygnał generatora drgań sinusoidalnych: A(t)sin(Φ(t)),
A(t) oznacza fluktuującą amplitudę sygnału przenosząca się na szumy amplitudy (AM –amplitude modulation) sygnału generatora, Fluktuacje θ(t) fazy Φ(t) sygnału sinusoidalnego określają szumy fazy (PM – phase modulation) sygnału. Chwilowa faza sygnału sinusoidalnego Φ(t) = ω(t)t = ω0t + θ(t) = 2π f0t + θ(t), Fluktuacje fazy Częstotliwość nośna f0 = ω0/2π = E [ω(t)] /2π – wartośc oczekiwana Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

48 Charakterystyka spektralna szumów fazowych generatora
Sygnału sinusoidalnego Funkcja L(ωm), opisuje szumy fazowe generatora. Funkcja ta określa moc szumów zawartych w jednej wstędze bocznej (SSB) o szerokości 1 Hz odległej od częstotliwości nośnej o ωm , odniesioną do całkowitej mocy sygnału. L(ωm) jest wyrażana w decybelach względem mocy fali nośnej [dBc/Hz] carrier Lm -charakterystyka spektralna szumów fazowych generatora Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

49 Charakterystyka szumów fazowych generatora w.cz.
Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska

50 Średniokwadratowa dewiacja fazy sygnału wywołana przez
szumy fazowe generatora zawarte w paśmie od ω1 do ω2 obu wstęg bocznych sygnału generatora: (w radianach do kwadratu) (w stopniach do kwadratu) Prof.. dr hab.. Janusz A. Dobrowolski Instytut Systemów Elektronicznych, Politechnika Warszawska